qwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmrtyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqwertyuiopasdfghjklzxcvbnmqw

Rad iz fizike na temu:

RADIOAKTIVNOST

2/2/2015

II grupa

SADRŽAJOtkriće rendgenskih zraka i radioaktivnosti 3

Radioaktivnost 4

Uticaj radioaktivnog zračenja na žive organizme 6

Zakoni radioaktivnog raspada 7

Radioaktivni nizovi 9

Nuklearna energija 10

Literatura………………………………………………………………………….12

2

1.OTKRIĆE RENDGENSKIH ZRAKA I RADIOAKTIVNOSTI

1895. godine njemački fizičar Wilhelm Konard Rontgen je objavio da je u Crookesovoj cijevi otkrio nove nevidljive zrake, koje izazivaju fluorescenciju, prolaze kroz materiju, zacrne fotografsku ploču, izbijaju nabijeni elektroskop, a magnet ih ne uklanja. Te zrake je nazvao X-zrakama (jer su potpuno nepoznate). Kasnijim ispitivanjem ustanovljeno je das u X-zrake ili rendgenske zrake nalik na svjetlosne zrake, ali imaju mnogo kraće talasne dužine.Na katodi konkavnog oblika i anodu stavi se visok električni napon (oko 5 000 V) zbog čega elektroni teku sa katode. Nasuprot katodi se nalazi tzv. antikatoda(od bakra,paladija ili nekog drugog metala). Sudarom elektrona visoke energije sa antikatodom nastaju rendgenske zrake, koje se šire u proctor sa antikazode.1896. godine francuski fizičar Henri Bekerel je našao da uranovi spojevi I rude također zacrnjuju fotografsku ploču umotanu u crni papir, fluoresciraju I izbijaju nabijeni elektroskop.Poljakinja Marie Kiri Sklodowska sistematski je ispitala Bekerelovo isijavanje na uranovom smolincu I ustanovila da je ta uranova ruda aktivnija od čistog uran-oksida. Nakon mukotrpnog odjeljivanja uspjelo joj je 1898. zajedno sa suprugom Pjerom Kirijem izolirati iz uranijevog smolinca veoma aktivnu elementarnu tvar koju je nazvala u čast svoje domovine Poljske polonijem. Iste godine su uspjeli izolirati hlorid još aktivnijeg elementa koji su nazvali radij, a pojavu isijavanja je nazvala radioaktivnošću.Za otkriće I studij radioaktivnosti su Kiriji I Bekerel dobili Nobelovu nagradu za fiziku 1903., a Marija Kiri je dobila I Nobelovu nagradu za hemiju 1911. Bekerel je kasnije utvrdio da se radioaktivno zračenje može ukloniti jakim magnetom.

3

2.RADIOAKTIVNOST

Neka teška jezgra sa rednim brojem Z > 82 su toliko nestabilna da se sama od sebe raspadaju,pri čemu izbacuju određene čestice i postepeno prelaze u jezgra manjeg masenog broja.Ova pojava se naziva radioaktivnost.Radioaktivnost koja se javlja kod izotopa koji se nalaze u prirodi,naziva se prirodna radioaktivnost,a ona koja se javlja kod izotopa stvorenih u nuklearnim reakcijama,naziva se vještačka radioaktivnost.

Prirodnu radioaktivnost urana otkrio je A. Becquerel 1896. godine,a Maria i Pierre Curie su 1898. godine prirodnu radioakinost radija.Svi elementi sa rednim brojem većim od 82 su nestabilni,tj. radioaktivni.U svim ovim procesima nestabilna jezgra se stabilizuje na sljedeća tri načina:

1.Odstranjivanje „suvišnih“ nukleona iz jezgra,postepeno i u malom broju. Spontano emitiranje dva p i dva n (jezgra helija).Početna jezgra pretvara se u drugu jezgru s 2p i 2n manje.

2.način je pretvaranje jednih nukleona u druge, sve dok se ne uspostavi povoljan odnos broja protona i neutrona u jezgru. Najčešće se dešava da se neutroni u jezgru transformiraju u protone. Pri tome

nastali elektroni bivaju izbačeni iz jezgra kao β čestice. U tom slučaju se radi o β radioaktivnosti.

Snop brzih elektrona predstavlja β zrake. Beta raspad jezgre XZA simbolički se predstavlja na

sljedeči način :

XZA → YZ+1

A + e-10

gdje je e-10 , symbol za elektron u nuklearnoj terminologiji.

Zakoni očuvanja broja nukleona i električnog naboja nisu dovoljni da se tačno opiše beta raspad.Ako bi beta raspad proticao prema datoj relaciji bili bi narušeni zakoni očuvanja energije, impulsa i momenta impulsa. Da bi se uskladio sa zakonima pretpostavlja se da postoji još jedna čestica nazvana neutrino. Pretpostavku je uveo Pauli 1931.god.Pokazalo se da se u beta raspadu emitira elektronski antineutrino čije su postojanje dokazali F. Reines i C. Cowan 1956.god. Sa potpunim brojem učesnika, beta raspad se predstavlja na sljedeći način :

XZA → YZ+1

A + e-10 + 0ve

0

gdje je 0ve0 nuklearni simbol za elektronski antineutrino.

Tada broj nukleona u jezgru ostaje konstantan, a povećava se broj protona za jedan, što zapravo znači da se broj neutrona smanjuje za jedan.

Suština beta raspada je pretvaranje jednog neutrona u proton, uz emisiju elektrona i elektronskog antineutrino :

n→ p + e + ve

Taj proces uzrokuje slabo međudjelovanje.

4

ZA X→ Z−2

A−4 Y + 24 He

Pozitronsko β raspad jezgre XZA protiče po shemi:

XZA → YZ-1

A + e10 + 0ve

0

Broj protona se konstantno smanjuje za jedan, što znači da se broj neutrona povećava za jedan.

Proces pretvaranja protona u neutron je nemoguć za slobodan proton. Slobodan proton je veoma stabilan i ima, prema savremenim teorijama gotovo beskonačno vrijeme života. S druge strane Slobodan neutron je nestabilan, I u prosjeku se nakon 900 sekundi pretvara u proton, electron ili elektronski antineutrino.

Elektronski zahvat nastaje zahvatom elektrona iz elektronskog omotača atoma u jezgro. Pri tome dolazi do transformacije jezgre po slijedećoj shemi :

XZA + e-1

0 → YZ-1A + 0ve

0

Nastala šupljina u elektronskoj ljusci se popunjava elektronom iz više ljuske, pri čemu nastaje karakteristično rendgensko zračenje. Oslobođenu energiju iz jezgre nosi neutrino

3. način stabilizacije nestabilnog (radioaktivnog) jezgra je prelaz iz višeg u niže energetsko stanje uz emisiju fotona ili γ-zračenja. Gama zraci su struja visokoenergetskih fotona ili γ-fotona. Gama zračenje je, dakle, elektromagnetsko zračenje visoke energije. Gama raspad ne dovodi do promjene identiteta jezgra, nego samo njegovog energetskog stanja. Rastojanje između energetskih nivoa jezgra su reda veličine 1MeV. Zbog toga su energije γ-fotona 1.000 puta veće od energije fotona nastalih pri prelazima elektrona u atomu.

Gama raspad pobuđenog jezgra XZA simbolički se prikazuje na sljedeći način:

XZA → XZ

A + γ00

Tom prilikom se ne mijenjaju ni atomski ni maseni broj jezgra. Sve tri vrste radioaktivnog zračenja prolazeći kroz materijalnu sredinu, vrše jonizaciju sredine.Zahvaljujući jonizacionim efektima moguća je detekcija i mjerenje intenziteta radiaktivnog zračenja.

.

5

3.UTICAJ RADIOAKTIVNOG ZRAČENJA NA ŽIVE ORGANIZME

Pri prolasku radioaktivnog zračenja kroz žive organizme mogu nastati promjene koje izazivaju trajna oštećenja. Stepen oštećenjazavisi od vrste i intenziteta zračenja, stanja organizma, vremena ozračivanja, bioloških i genetskih osobina itd.

Oštećenje organizma nastaje direktnom interakcijom radioaktivne čestice (∝ , β , γ ¿ sa nekim elementom ćelije, pri čemu dolazi do jonizacije elemenata, a kao posljedica toga u ćeliji se javljaju procesi koji narušavaju normalan rad i funkciju ćelije, time i organizma u cjelini.

Opasnost od radioaktivnog zračenja povećava se time, što ono u trenutku ozračivanja ne uzrokuje nikakve primjetne posljedice, npr. osjećaj bola, čak ni pri smrtonosnim dozama.

Na radioaktivno zračenje su najosjetljivije one ćelije koje su vrlo aktivne i brzo se množe. Tako pod uticajem tog zračenja naprije stradaju ćelije koštane srži, usljed čega se narušava proces stvaranja krvi. Organi za ishranu su također vrlo osjetljivi na radioaktivno zračenje. Radioaktivno zračenje snažno djeluje i na karakteristike naslijeđa, i to najčešće u negativnom smislu.

Međutim, ako se radioaktivnim zračenjem djeluje na bolesna tkiva kao što su zloćudni tumori, onda su efekti ozračavanja pozitivni. Naime, zračenje uništava ćelije zloćudnog tumora, koje se veoma brzo množe i zbog toga su mnogo osjetljivije na radioaktivno zračenje od normalnih, zdravih ćelija.

6

4.ZAKONI RADIOAKTIVNOG ZRAĆENJA

Radioaktivnost je spontani, statistički proces. Nemoguće je reći kada će se raspasti neko jezgro. Može se govoriti samo o vjerovatnoći tog događaja, odnosno, o vjerovatnoći raspada jezgra u jedinici vremena. Osnovni zakon radioaktivnog raspada može se formulirati na slijedeći način:

Za iste vremenske intervale raspada se isti dio još neraspadnutih jezgara.

Analogna ovoj je i slijedeća formulacija: Broj jezgara ∆N, koji se raspadne za vrijeme ∆t, proporcionalan je broju neraspadnutih jezgara N i vremenu ∆t.

Analitički prikaz ove formulacije je:

∆ N=−λN ∆ t

λ−¿konstanta radioaktivnog raspada (zavisi od prirode radioaktivne supstance)

Znak (–) na lijevoj strani jednakosti ukazuje da se broj neraspadnutih jezgara vremenom smanjuje.

Ako je u početnom času t 0=¿0, broj neraspadnutih (radioaktivnih) atoma bio bi N0, a poslije vremena t ostaje ih još N, onda integracijom gornje jednadžbe u odgovarajućim granicama:

dobije se :

Ova jednadžba predstavlja osnovni zakon radioaktivnog raspada, prema kome broj radioaktivnih atoma opada eksponencijalno sa vremenom. Nagib krivulje zavisi od vrijednosti konstante radioaktivnog raspada λ, odnosno, od vrste radioaktivne supstance.

Vrijeme za koje se raspadne polovina od prvobitnog broja radioaktivnih jezgara, naziva se vrijeme poluraspada T. Određuje se iz uvjeta:

N 0

2=N0 e

−λT

Odakle slijedi da je vrijeme poluraspada radioaktivnog izotopa:

7

∫N0

N∆ NN

=− λ∫0

t

∆ t

lnNN0

=−λt

ili:

N=N 0 e−λt

T¿ ln 2λ

=0 ,693λ

Vrijeme poluraspada za različite radioaktivne supstance nalazi se u širokom dijapazonu: od 10−7 s do

1015 godina.

Aktivnost radioaktivnog izotopa A ili brzina raspada se definira kao broj raspada u jedinici vremena:

Aktivnost radioaktivnog izvora također opada kao eksponencijalna funkcija vremena. Jedinica za aktivnost radioaktivnog izotopa je bekerel (Bq). Aktivnost od 1 Bq ima izvor kod kojeg se dešava jedan raspad u sekundi:

1Bq¿1 s−1

Vrlo često se u praksi koristi veličina specifična aktivnost, kao aktivnost radioaktivnog izvora po jedinici mase (A/m) ili aktivnost po jedinici volumena (A/V), koja se izražava u Bq/kg, odnosno,, u Bq/m3.

5.RADIOAKTIVNI NIZOVI

8

A¿|∆ N∆ t |=A0 e−λt ili A¿ Nln2T

Radioaktivnim raspadom iz jednog elementa se dobiva drugi ,koji i sam može biti radioaktivan pa se dalje raspada itd. Tako nastaje radioaktivni niz. Uvijek se može utvrditi ko je kome u nizu predak,a ko potomak. Tako se može ustanoviti cijela radioaktivna obitelj ili radioaktivni niz.Postoje 4 radioaktivna niza, od kojih se 3 pojavljuju u prirodi: uranov,protaktinijev i torijev ,a četvrti plutonijev, proizveden je vještački. Svi nizovi počinju izotopom čije ime nose,imaju oko 15 članova i završavaju stabilnim izotopom olova. Različiti izotopi nekih elemenata (U,Th,Po,Pb,Bi) pokazuju različite vrste radioaktivnosti, različite energije radioaktivnih zraka i različita vremena poluraspada. Kod α-raspada ,ukoliko je energija α-čestica veća, utoliko je vrijeme poluraspada manje , i obrnuto. Najmanja energija α-čestica je kod raspada izotopa U238-92 (4,18 MeV),dok je vrijeme poluraspada najveće (1,64 x 10-4 s).Prisustvo radioizotopa je utvrđeno ,u većoj ili manjoj mjeri,po cijeloj Zemlji. Tako ,na osnovu prisutne količine izotopa olova ili urana u nekoj stijeni ili fosilu, moguće je proračunati starost stijene ili fosila,što je od izuzetne važnosti za geologiju i znanost o evoluciji života na Zemlji. Radioizotopi se koriste u mnoge svrhe i u različitim oblastima: od fizike i hemije,preko biologije i medicine,do tehnike i industrije.

6.NUKLEARNA ENERGIJA

9

Već je rečeno da se u procesu diobe teškog jezgra (A>200) na dva lakša ili sinteze dva lakša jezgra (A<10),oslobađa značajna količina nuklearne energije. Ova dva procesa pomoću kojih je moguće dobiti nuklearnu energiju ,nazivaju se nuklearna fisija i nuklearna fuzija. Proces u kojem se teško jezgro dijeli bez ikakvog vanjskog uticaja je moguć,ali je njegova vjertovatnoća mala. Proces nuklearne fisije su otkrili O. Hahn i F. Strassman 1939. godine ,bombardujući neutronima jezgra uranovog izotopa U92

235.Kada neuron uđe u nestabilno jezgro ,njegova nestabilnost se povećava ,usljed čega se ono raspada na dva lakša jezgra X i Y,uz oslobađanje 2 do 3 neurona.Produkt fisije će se razletjeti noseći za sobom veliku energiju od oko 200 MeV. Nuklearna fisija urana se piše:

U92235 + n0

1 → Xz1A1 + YZ2

A2 + (2-3)n01+ 200 MeV

Vrijednosti masenih brojeva produkata fisije su različite,ali nikada ispod 76 i preko 160. Najčešće vrijednosti su A1=95 i A2=140.Neutroni koji se javljaju pri fisiji U92

235 daju mogućnost da se ostvari lančana reakcija fisije. Ako se pri fisiji jednog jezgra emituju npr. 2 neutrona oni mogu izazvti fisiju 2 nova jezgra pri čemu se dobiju 4 neurona. Ti neuroni mogu izazvati fisiju još 4 nova jezgra uz emisiju 8 neurona itd. Na taj način se broj neurona ,koji se stvara u svakoj generaciji,povećava geometrijskom progresijom ,a reakcija koja je započela,odvija se dalje samostalno uz stalno povećavanje broja raspadnutih jezgara i energije koja se oslobađa pri tome,sve dok sva jezgra ne budu zahvaćena reakcijom.Međutim ovakav process je idealan I daleko je od realnih uvjeta.Da bi se ostvarila lančana rekacija fisije potrebno je pomoću složenih tehnoloških postupaka izdvojiti iz prirodnog urana fisioni izotop U92

235 ili povećati njegovu koncentraciju. Osim toga ,fisioni materijal mora imati neki minimalni volumen.odnosno,minimalnu masu.koja se naziva kritična masa,koja osigurava da relativno mali broj neurona napušta fisioni materijal.Bitan je I oblik fisionog materijala, a idealan oblik je sfera. Kritična masa čistog U92

235 je oko 1 kg, a volume oko 45 cm3. Nekontrolirana lančana reakcija je ostvarena kod atomske (nuklearne) bombe. Nekontrolirana lančana reakcija je ona kod koje se broj nastalih neutrona u svakoj generaciji povećava geometrijskom progresijom.Glavni dijelovi atomske bombe su: oklop, dva komada urana U92

235 potkritične mase, izvor neutrona i klasični eksploziv. Klasičnom ekspolozijom komadi urana se spoje, formirajući natkritičnu masu.Neutroni zatim počinju nekontrolisanu nuklearnu fisiju praćenu izdvajanjem ogromnih količina energije u obliku kinetičke energije fisionih produkata i energije radioaktivnog zračenja fisionih produkata.U nuklearnim reaktorima se ostvaruje kontrolirana lančana reakcija.Kontrolirana lančana reakcija je ona kod koje je odnos broja neutron stvorenih u dvije uzastopne generacije blizak jedinici tj.kod koje je spriječeno da se broj fisiono sposobnih neutrona lavinski povećava. Za tu svrhu služe šipke kadmijuma, koje se uvlače u fisioni materijal.Njihova uloga je da apsorbiraju određeni broj neutrona.Fisioni materijal u reaktoru je prirodni uran obogaćen izotopom

U92235 . Neutroni stvoreni fisijom U92

235 jednim dijelom održavaju kontroliranu lančanu reakciju fisije,

drugi dio apsorbira U92235 i pretvara se u Pu94

239 , treći dio bude apsorbiran od šipki kojima se kontrolira lančana reakcija. U nuklearnim reaktorima se razvija ogromna količina toplote na račun kinetičke energije fisionih produkata. Ta se toplota dalje pretvara u druge vidove energije, kao što su električna (nuklearne elektrane) i mehanička energija (atomkse podmornice).

10

Nuklearna fuzija je drugi način dobijanja nuklearne energije.Nuklearna fuzija je nuklearna reakcija sinteze lahkih jezgara.Da bi se ostvarila ova reakcija, potrebno je jezgra približiti, savladati njihovo kulonsko odbijanje, u doseg djelovanja nuklearnih sila.Za to je potrebno da jezgra imaju energiju reda veličine 1MeV, što odgovara temperature reda veličine 109K. Prema tome nuklearna fuzija se može ostvariti toplotnim kretanjem na visokoj temperaturi.Zbog toga se ova reakcija naziva i termonuklearna reakcija.Termonuklearne reakcije se odvijaju naSuncu i drugim zvijezdama, gdje se fuzijom jezgara vodika formiraju jezgra helija uz oslobađanje ogromne količine energije.

Fuzija jezgara deuterija H21

i tricija H31

ostvaruje se u hidrogenskoj ili termonuklearnoj bombi.

Temperatura potrebna za odvijanje termonuklearne reakcije postiže se eksplozijom nuklearne (atomske) bombe.Fuzija se ostvaruje prema sljedećoj relaciji:

U92235 + H1

3 → He24 + n0

1 + 17,6 MeV

Oslobođena energija po nukleonu u ovoj reakciji iznosi 17,6/5 = 3,4 MeV, što je oko četiri puta veće

od oslobođene energije po nukleonu pri nuklearnoj reakciji fisije urana U92235 koja iznosi 200/236 =

0,85 MeV po nukleonu. To znači da je nuklearna fuzija povoljnija za dobijanje energije od nuklearne fisije.

Najznačajnija prednost nuklearne fuzije u odnosu na nuklearnu fisiju je ekološka. Proces spajanja lahkih jezgara nije praćen opasnim radioaktivnim zračenjem, kao u slučaju cijepanja jezgara urana.Međutim ovdje postoje i problemi.Ostvarena energija kod hidrogenske bombe je nekontrolisana.Da bi se ostvarila kontrolirana reakcijafuzije, potrebno je riješiti ogromne teškoće vezane za visoku temperature nuklearnog goriva. Na takvim temperaturama (109K) supstanca je u stanju potpuno jonizovane plazme i ne postoji materija od kojeg bi se mogla napraviti posuda (rezervoar) za skladištenje supstance. Umjesto klasične posude koriste se “magnetske boce” u kojima se pomoću magnetskih polja drži plazma na okupu u uređaju za termonuklearnu fuziju. Tako je problem laboratorijski riješen međutim trajno tehnološko rješenje još nije nađeno.

LITERATURA

1.’’Opća hemija’’ , Milan Tomljanović, Hijatus, Zenica 2004.

11

2.Fizika sa zbirkom zadataka za 4.razred srednje škole, Kulenović, Vobornik, Sliško , IP ‘Svjetlost’ Sarajevo , 1998.

12